Разработка телевизионной антенны для проектируемой телебашни в г. Минске

Размещено на http://www.allbest.ru/

70

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Данный дипломный проект посвящен разработке передающей телевизионной антенны дециметрового диапазона для проектируемой телебашни в г. Минске.

В пояснительной записке настоящего дипломного проекта произведен обзор литературы по рассматриваемой тематике, рассмотрены существующие типы антенн и их характеристики, разработана методика нахождения диаграммы направленности антенны, а также проведены расчеты по нахождению оптимальной диаграммы направленности антенны, состоящей из этажа вибраторов вблизи проводящего цилиндра.

Отдельные разделы посвящены вопросам охраны труда, гражданской обороне и экономическому расчету.

Содержание

Введение

1 Обзор литературы

2 Общие сведения об антеннах

2.1 Основные параметры антенн

2.2 Структурная схема антенны

2.3 Типы антенн

2.3.1 Вибраторные антенны СВЧ

2.3.2 Щелевые антенны СВЧ

2.3.3 Направленные антенны бегущей волны

2.3.4 Апертурные антенны

2.3.5 Сканирующие антенные решетки

2.3.6 Частотно-независимые антенны

2.4 Антенны для телевидения

3 Разработка методики нахождения диаграммы направленности

антенны

3.1 Постановка задачи

3.2 Методика нахождения диаграммы направленности антенны из поперечных вибраторов вблизи проводящего цилиндра

3.3 Возбуждение металлического цилиндра поперечным электрическим диполем

3.4 Проверка на сходимость

3.5 Тестовые расчеты

4 Проведение расчетов

4.1 Нахождение диаграммы направленности антенны из одного электрического поперечного вибратора

4.2 Расчет диаграммы направленности для этажа вибраторов

5 Охрана труда

5.1 Источники электромагнитных полей

5.2 Воздействие переменных электромагнитных полей на человека

5.3 Нормирование электромагнитных полей

6 Расчет ветровой нагрузки, приходящуюся на антенну при возникновении чрезвычайной ситуации

7 Экономический расчет

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн и применяемое в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радиоуправлении, радионавигации.

Назначение антенны поясняется рисунком 1, где представлена упрощенная схема радиосвязи. Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом, создаваемые передатчиком, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводятся от передатчика к антенне с помощью линии питания (фидера). При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним плоские электромагнитные волны. Передающая антенна преобразует их в свободные сферические волны, распространяющиеся в пространстве.

Рисунок 1- Упрощенная схема линии радиосвязи

Приемная антенна улавливает свободные электромагнитные волны и преобразует их в волны связанные, передаваемые с помощью фидерной линии в приемник.

Преобразование антенной одного вида электромагнитных волн в другой должно происходить с минимальными потерями энергии, т.е. с максимально возможным КПД антенны.

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами. Направленные антенны позволяют без увеличения мощности передатчика увеличивать напряженность электромагнитного поля в необходимом направлении путем концентрации электромагнитных волн в узкие пучки. В большинстве случаев это экономически более выгодно, чем увеличение напряженности поля путем увеличения мощности передатчика. Кроме того, концентрация электромагнитных волн в требуемом направлении позволяет уменьшить взаимные помехи различных радиотехнических систем. Наличие направленных свойств у приемных антенн, т.е. различная эффективность приема волн, приходящих с различных направлений, ведет к ослаблению приема различных внешних помех, т.е. к повышению качества приема и улучшению помехозащищенности приемного устройства.

Большим направленным действием должны обладать антенны для космической радиосвязи, радиоастрономии, радиолокации, радиорелейных линий.

Однако, применительно к телевизионным антеннам предъявляются требования всенаправленности (в одной плоскости), т.е. расположенные в центре страны или области антенны должны в плоскости земли (горизонтальная плоскость) излучать во все стороны одинаково.

Антенны передающих телецентров должны удовлетворять ряду требований. Для увеличения зоны уверенного приема эти антенны следует располагать на специальных башнях высотой в сотни метров. При этом увеличиваются механические нагрузки, создаваемые ветром, и увеличивается вероятность попадания в антенну грозовых разрядов. В связи с этим телевизионные антенны должны иметь повышенную механическую и электрическую прочность. Для увеличения электрической прочности и улучшения грозозащиты в антенных конструкциях обычно применяют металлические изоляторы.

В тех случаях, когда телецентр располагается ближе к краю обслуживаемой области, передающая антенна должна обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости. Однако и в этом случае ее диаграмма направленности (ДН) должна быть довольно широкой. Для сужения ДН в вертикальной плоскости вибраторы антенны располагают в несколько этажей.

Поля, создаваемые различными мешающими источниками, а также волны отраженные от зданий, деревьев и других объектов, имеют вертикальную поляризацию, поэтому для снижения уровня помех при приеме желательно, чтобы электромагнитные поля, излучаемые телевизионными антеннами, обладали горизонтальной поляризацией. В связи с этим, как правило, для приема и передачи телевизионных сигналов применяются горизонтальные антенны. Однако в связи с быстрым ростом числа телецентров разрабатываются антенны с вертикальной поляризацией поля, применение которых позволяет уменьшить помехи телецентров, работающих в одном из соседних каналов.

1 Обзор литературы

В процессе выполнения дипломного проекта необходимо использование ряда учебной литературы по рассматриваемой тематике. Вследствие этого необходимо произвести обзор источников, используемых в настоящем дипломном проекте, чему и посвящен данный раздел.

В [1] излагаются основные понятия и расчетные методы современной теории антенн. Особый упор сделан на четкое определение специфических параметров передающих и приемных антенн, используемых при анализе и синтезе различных радиосистем. Наряду с классическими методами расчета значительное место отведено изложению новых методов анализа и синтеза антенных систем, развитых в последнее время и ориентированных на применение ЭВМ.

Во второй части той же книги многообразные конкретные типы антенн УКВ, КВ и ДВ с учетом специфики применения и расчета. Значительное внимание уделено современным сканирующим антенным решеткам.

В книге [2] излагаются теория и принципы действия основных используемых в настоящее время типов антенн. Особое внимание при этом уделяется антеннам, применяемым в радиосвязи и радиовещании. Рассматриваются физические принципы работы антенных устройств и анализируются полученные формулы. Изложение ведется на базе курсов математики, физики, теории линейных электрических цепей и технической электродинамики, читаемых в электротехнических институтах связи.

В книге уделено внимание ряду вопросов, представляющих значительный практический интерес. К ним относятся: применение результатов решения интегрального уравнения антенн (методом согласования в точках) к расчету входного сопротивления симметричного вибратора и распределения токов в связанных вибраторах; учет влияния металлических тел на излучение антенн; построение антенн с модулированной фазовой скоростью; оптимальные облучатели для однозеркальных и двухзеркальных антенн; некоторые новые типы двухзеркальных антенн и антенн для радиовещания на средних волнах; фидеры для подведения большой мощности к коротковолновым антеннам; антенные решетки, основанные на принципе самодополнительности; кольцевые директоры, способы миниатюризации антенн и др.

Основные положения теории в объеме, необходимом для понимания принципов работы антенн и оценки их параметров излагаются в [3]. Основная часть книги посвящена рассмотрению антенн для приема и передачи звукового и телевизионного вещания, радиорелейной и космической связи, а также связи в диапазоне коротких волн. Отдельная глава посвящена эксплуатационным измерениям и настройке антенно-фидерных устройств.

Матричная теория пассивных устройств СВЧ; вопросы синтеза многополюсных устройств СВЧ по заданной матрице рассеяния; вопросы синтеза СВЧ фильтров и согласующих переходов по заданной частотной характеристике рассматриваются в первой части источника [4]. Вторая часть посвящена конкретным разновидностям СВЧ-устройств. Здесь даются инженерные сведения о наиболее распространенных линиях передачи СВЧ, их параметрах и конструктивных элементах; рассматриваются характерные способы конструктивного выполнения волноводных и полосковых разветвляющих схем, фазовращателей, управляющих устройств с ферритами и т.д.

Книга [5] показывает состояние техники сверхвысоких частот и ее приложений. Каждый раздел книги написан сжато, но весьма содержательно и подкрепляется формулами, таблицами и графиками. В первом томе рассматриваются системы канализации энергии СВЧ, элементы и узлы систем, методы измерений и измерительные устройства, материалы, применяемые в системах СВЧ, полосковые системы, замедляющие структуры, электронные лампы СВЧ, вопросы применения в технике СВЧ методов оптики и др.

Структура телевизионной передающей сети и методы планирования размещения передающих телевизионных станций рассматриваются в [6]. Также приведено описание оборудования типовых телевизионных радиопередатчиков, телевизионных ретрансляторов и антенно-фидерных устройств. Изложены вопросы проектирования и организации эксплуатации передающих телевизионных станций.

Теоретические основы конструирования антенн УКВ диапазона приводятся в источнике [7], излагается также теория прямоугольных, круглых, эллиптических, полосковых и других волноводов. Рассматриваются методы расчета параметров вибраторов вблизи металлических цилиндров, освещаются вопросы излучения из открытого конца волновода, излагается общая теория антенных решеток, рассматриваются апертурные, вибраторные антенны, работающие в широком диапазоне частот.

В [8] изложены теория излучения антенн сверхвысоких частот, сведения о всех существующих видах антенн этого диапазона, физические принципы их действия и методы инженерного расчета характеристик.

2 Общие сведения об антеннах

2.1 Основные параметры антенн

Для оценки и сравнения между собой различных антенн вводится ряд характеристик (параметров). В данном пункте рассматриваются параметры, характеризующие направленные свойства антенны (диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и др.).

Диаграммой направленности (ДН) называют графически представленную зависимость от углов наблюдения в пространстве напряженности электромагнитного поля, созданного антенной, измеренного на достаточно большом, но одинаковом расстоянии от антенны.

Пространственная диаграмма направленности является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум носит название главного лепестка диаграммы и ему соответствует направление главного излучения (или приема). Первые минимальные или нулевые значения напряженности поля вокруг направления главного излучения определяют границу главного лепестка. Остальные максимальные значения поля и окружающие их минимальные значения называются боковыми лепестками. Существуют антенны, имеющие несколько направлений максимального излучения.

Диаграммы направленности антенн, излучающих линейно-поляризованные волны, обычно рассматривают в двух взаимно перпендикулярных сечениях, лежащих в плоскости электрического вектора Е и в плоскости магнитного вектора Н, проходящих через максимум главного лепестка и точку расположения центра антенны. В стационарных антеннах диаграммы направленности рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к поверхности земли. Диаграммы направленности для какой-либо из указанных плоскостей изображают нормированными в полярной (рисунок 2.1а) или прямоугольной (рисунок 2.1б) системах координат.

Рисунок 2.1 - Пример диаграмм направленности антенн

Для построения нормированной диаграммы направленности в полярной системе координат из центра откладывают по длине радиусов отношения напряженности поля, созданного антенной в данном направлении, к максимальному значению напряженности поля. Для построения нормированной диаграммы направленности в прямоугольной системе координат по оси абсцисс абсцисс откладывают значения углов, а по оси ординат - нормированные значения направленности поля, соответствующие данным углам. Диаграммы направленности строятся по модулю. Знак минус, характеризующий изменение фазы на ?, при построении диаграммы направленности не учитывается. Диаграммы направленности, построенные в полярной системе координат, более наглядны и при наложении на карту (глобус) дают представление о зоне действия. Прямоугольная система координат более удобна при инженерных расчетах, особенно при высоких направленных свойствах антенн, так как масштаб углов по оси абсцисс можно выбирать в широких пределах.

Ослабление помех, приходящих с направлений 90-270 градусов, полоса частот которых совпадает с полосой частот полезного сигнала, характеризует защитное действие антенны. Коэффициентом защитного действия (К_защ) антенны называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении к квадрату напряженности поля в направлении, противоположному главному:

- (2.1)

в относительных единицах или

- в децибелах (2.2)

Степень защищенности от помех, созданных другими станциями, характеризуется уровнем боковых лепестков. Под относительным уровнем боковых лепестков понимают модуль отношения напряженности поля, созданной в направлении максимума какого-либо бокового лепестка, к напряженности поля в направлении главного максимума в относительных единицах или в децибелах.

Диаграммы направленности антенн характеризуются шириной главного лепестка и коэффициентом направленного действия, который представляет собой отношение квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном (как правило главном) направлении Е_O к квадрату среднего значения напряженности поля во всех направлениях E_CP

(2.3)

Таким образом, при определении КНД данная антенна сравнивается с воображаемой абсолютно ненаправленной или изотропной антенной (в природе таких антенн не существует), излучающей ту же мощность, что и данная антенна.

Коэффициент направленного действия определяется только ДН антенны и не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, изоляторах, в окружающих антенну предметах и в земле. В связи с этим вводится параметр, называемый коэффициентом усиления антенны (КУ), определяемый как ее направленными свойствами, так и потерями в ней

(2.4)

Отношение мощности излучения к мощности, подводимой к антенне, получило название коэффициента полезного действия антенны _А.

(2.5)

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне по сравнению с абсолютно ненаправленной, КПД которой считается равным единице, чтобы величина вектора Пойнтинга в точке наблюдения оставалась неизменной.

Антенны можно сравнивать также по их действующей длине. Действующей длиной передающей антенны L_д называют длину излучателя с равномерным распределением тока, который в главном направлении создает такую же напряженность поля, как и реальная антенна при одинаковых токах.

2.2 Структурная схема антенны

Антенны, как правило, относятся к пассивным элементам радиосистемы и в конструктивном отношении состоят из сочетания проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков. Любую конкретную антенну можно условно разделить на следующие составные части:

вход

согласующее устройство

распределитель

излучающая система

Рисунок 2.2 - Структурная схема антенны

Рассмотрим подробнее определение и назначение составных частей антенны.

Под входом антенны обычно понимается сечение какой-либо линии передачи с единственным распространяющимся типом волны. Положение этого сечения должно быть указано точно, что необходимо для однозначности электрического расчета фидерной системы. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сотни и тысячи входов. Отдельные входы могут использоваться для одновременной работы антенны на различных рабочих частотах или же для независимого формирования одной и той же антенной системой нескольких различающихся характеристик направленности

Согласующее устройство предназначается для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне во всей рабочей полосе частот радиосистемы. Наряду с обычными схемами согласования, используемыми в технике СВЧ, в антеннах обычно используются дополнительные возможности согласования входа путем рационального выбора ряда конструктивных размеров в распределителе и излучающей системе. Благодаря этому в конструкциях антенн согласующее устройство может оказаться совмещенным с распределителем.

Распределитель антенны представляет собой конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для получения необходимого закона распределения излучающего тока в пределах антенны, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности.

Излучающая система представляет собой область пространства, заполненную токами, которые возбуждают электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлической поверхности, так и эквивалентные фиктивные электрические и магнитные токи на замкнутых поверхностях, окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризации в объемах, занимаемых диэлектриками и магнитодиэлектриками.

Специальное выделение в составе антенны распределителя и излучающей системы связано с традиционным подходом, согласно которому расчет антенны разделяется на две части: “внутреннюю задачу” и “внешнюю задачу”. Внутренняя задача состоит в нахождении функций распределения высокочастотных токов по излучающей системе. Во внешней задаче по известному распределению токов определяются электромагнитное поле излучения антенны и такие его числовые характеристики, как ширина луча, уровень боковых лепестков, коэффициент боковых лепестков и т.д. Разделение на внешнюю и внутреннюю задачи оказывается наиболее целесообразно в двух случаях:

при использовании приближенных методов анализа характеристик антенн известной конструкции, основанных на “угадывании” предполагаемого решения более сложной внутренней задачи;

при построении методов синтеза антенн с заданными характеристиками поля излучения. В этом случае предварительное определение требуемого распределения токов в излучающей системе облегчает конструирование соответствующего распределителя.

2.3 Типы антенн

2.3.1 Вибраторные антенны СВЧ

К антеннам сверхвысоких частот относят антенны метрового, дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн. В данном пункте рассматриваются простые антенны вибраторного типа, которые очень широко используются в низкочастотной части диапазона СВЧ и как самостоятельные антенные устройства, и как составные элементы многих сложных антенн.

Антенны вибраторного типа выполняются из металлических проводов, лент или труб и питаются как двухпроводными фидерами, так и коаксиальными кабелями. Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания. Во всех случаях к вибраторам предъявляются: возможная простота конструкции и эксплуатации, высокий КПД, относительно широкая полоса пропускаемых частот, высокие пробивные электрические напряжения, устойчивый режим работы во времени.

Простейшей антенной является полуволновой вибратор. При подключении двухпроводной линии к вибратору в его разрыве (рисунок 2.3а) КСВ в линии оказывается порядка 7,0 и поэтому требуется настройка линии на бегущую волну. Такой вибратор является узкополосным.

Рисунок 2.3 - Разновидности полуволновых вибраторов

Удобной является схема полуволнового вибратора с шунтовым питанием (рисунок 2.3б). Подбором размеров L и l шунта удается получить в линии без дополнительных элементов настройки режим, близкий к режиму бегущей волны. Преимущество такого питания заключается еще и в том, что в точке а вибратора устанавливается узел напряжения и это дает возможность крепить вибратор к опоре без изоляторов.

Для повышения входного сопротивления полуволновой вибратор может быть сделан петлеобразным (схема Пистолькорса). Как показано на рисунке, два элемента вибратора одинакового диаметра закорачиваются на концах перемычками и к разрыву одного из них подключается двухпроводная линия. Токи в этих двух элементах оказываются синфазными с максимумами в середине, и поскольку расстояние между проводниками является малым по сравнению с длиной волны, диаграмма направленности петлевого вибратора совпадает с диаграммой направленности обычного полуволнового вибратора.

Петлеобразный вибратор может быть сделан с дополнительными перемычками. Подбором длины шунта, соотношения диаметра проводов, образующих вибратор, можно добиться хорошего согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего фидера в довольно широкой полосе частот.

Улучшению согласования вибраторов с фидерами способствует также то, что вибраторы состоят из широких пластин (или толстых проводов), обладающих довольно низким волновым сопротивлением.

Полуволновые симметричные вибраторы могут питаются также при помощи гибкого коаксиального кабеля или жесткой коаксиальной линии. В этом случае для перехода от несимметричной линии, каковой является коаксиальный кабель, к симметричной антенне применяются различные симметрирующие устройства.

Рассмотрим симметрирующее устройство типа U-колена. Если коаксиальный кабель присоединить непосредственно к симметричному вибратору, т.е. внутренний проводник кабеля присоединить к одной половине вибратора, а внешний проводник его присоединить ко второй половине вибратора, то ток, существующий на внутренней поверхности внешнего проводника кабеля делится между вибратором и наружной поверхностью внешнего проводника кабеля. Вследствие этого токи в плечах вибратора будут неодинаковыми и, кроме того, появится излучение кабеля за счет токов, ответвляющихся на его оболочку. Это приведет к искажению диаграммы направленности. Симметрирующее U-колено как раз и предотвращает ответвление токов наружу кабеля.

К вибраторным антеннам СВЧ также относят турникетные антенны, используемые очень широко на телевизионных передающих центрах. Телевизионные антенны должны удовлетворять специфическим требованиям. Прежде всего необходимо, чтобы антенны равномерно излучали электромагнитную энергию по всем азимутальным направлениям, поскольку телевизионные передатчики обычно находятся в центре обслуживаемого ими района. По углу места направленность должна быть достаточно большой с тем, чтобы излучение было сконцентрировано в горизонтальной плоскости. Далее антенна должна излучать электромагнитную энергию с горизонтальной поляризацией поля. Это обуславливается тем, что источниками помех на ультракоротких волнах являются всякого рода промышленные установки, которые излучают электромагнитное поле в основном с вертикальной поляризацией. Кроме того, интерференционные помехи, обусловленные отражением электромагнитных волн от различных строений, имеют также вертикальную поляризацию.

Важным является требование к полосе частот, пропускаемых антенной системой. Антенна вместе с фидером должна быть достаточно широкополосной для того, чтобы не было искажений передаваемых изображений на всех телевизионных каналах. Кроме того, антенно-фидерная система должна быть свободна от отражений, которые приводят к раздвоению изображений.

Антенна должна быть также механически очень прочной, т.к. она располагается на высоких опорах и подвергается сильным ветровым нагрузкам, часто при наличии гололеда. Она должна, кроме того, иметь надежную грозовую защиту, что достигается непосредственным заземлением элементов антенны.

Для того, чтобы создать излучение с горизонтальной поляризацией и равномерное по всем направлениям в горизонтальной плоскости, используется крестообразный элемент, излучающий вращающееся поле. Такие элементы, образованные в простейшем случае из полуволновых вибраторов, располагаются горизонтально в несколько этажей на расстоянии l/2 друг от друга и питаются синфазно (рисунок 2.4).



Рисунок 2.4 - Расположение крестообразных элементов в телевизионной антенне

При четном числе элементов излучение в направлении оси их расположения (вверх и вниз) равно нулю и максимум излучения имеет место в горизонтальной плоскости. Вибраторы, находящиеся в одной вертикальной плоскости, питаются одним фидером, а находящиеся в другой вертикальной плоскости - другим. Фидеры настраиваются на бегущую волну и соединяются параллельно, причем один фидер берется длиннее другого на четверть длины волны, что обеспечивает сдвиг фаз токов в вибраторах креста, равный 90 градусов.

Т.к. проектируемая антенна будет представлять собой систему нескольких одинаковых вибраторов, то необходимо подробнее остановиться на этом типе антенн.

Электрический вибратор представляет собой цилиндрический проводник длиной l₁+l₂ и радиусом а, питаемый в точках разрыва генератором высокой частоты (рисунок 2.5).



Рисунок 2.5 - Электрический вибратор

При равенстве длин плеч l₁=l₂ вибратор называется симметричным. Присоединение генератора к вибратору может быть осуществлено различными конструктивными способами, в частности для питания симметричных вибраторов могут быть применены симметричные двухпроводные линии передачи.

Под воздействием Э.Д.С. генератора в вибраторе возникают электрические токи, которые распределяются по его поверхности таким образом, что возбуждаемое ими электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла (2.6), граничным условиям на поверхности проводника и условию излучения на бесконечности.

rot Н = jwe'_а Е + j^э

rot E = -jwm_a Н - j^м (2.6)

Здесь Е - вектор комплексной амплитуды напряженности электрического поля, В/м;

H - вектор комплексной амплитуды напряженности магнитного поля, А/м

(2.7)

-комплексная диэлектрическая проницаемость среды;

e_a - диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м;

m_a - магнитная проницаемость среды, Г/м;

s - удельная объемная проводимость среды, См/м;

j^э - вектор комплексной амплитуды объемной плотности стороннего электрического тока, А/м²;

j^м - вектор комплексной амплитуды объемной плотности стороннего магнитного тока, В/м².

Сторонний магнитный ток является фиктивной величиной, поскольку магнитных зарядов в природе не существует. Однако введение этого понятия позволяет значительно упростить целый ряд расчетов.

Согласно теореме эквивалентности из курса электродинамики полное электромагнитное поле вибратора в любой точке внешнего пространства может быть определено эквивалентными электрическими j^э и магнитными j^м токами, распределенными по замкнутой цилиндрической поверхности S, окружающей вибратор. Пусть поверхность S охватывает вибратор так, как это показано на рисунке 2.5. Если проводник является идеально проводящим, то поверхностный электрический ток вне возбуждающего промежутка b будет являться действительным электрическим током, а в пределах промежутка b он останется эквивалентным. Эквивалентный магнитный ток будет конечен в пределах промежутка b, а на остальной части поверхности S он будет равен нулю.

Вследствие осевой симметрии возбуждения вибратора электрический ток на боковой поверхности проводника имеет только продольную составляющую J_z^э, а на торцевых поверхностях - радиальные составляющие J_р^э. Магнитный поверхностный ток имеет только азимутальную составляющую J^м.

Функции распределения эквивалентных электрических и магнитных токов по продольной координате z заранее не известны и подлежат предварительному определению - в этом состоит внутренняя задача теории вибратора. Внутренняя задача является весьма сложной и даже в простейшем случае вибратора малой толщины сводится к решению так называемого интегрального уравнения Галлена. После нахождения распределения эквивалентных токов электромагнитное поле вибратора в любой точке внешнего пространства определяется сравнительно простым путем как поле известных сторонних источников. Одновременно определяются такие важные антенные характеристики, как диаграмма направленности, сопротивление излучения и КНД. Это второй этап после нахождения распределения токов составляет сущность внешней задачи теории вибратора.

2.3.2 Щелевые антенны СВЧ

В диапазоне СВЧ щелевые антенны применяются в качестве самостоятельных излучателей и в виде элементов антенных решеток с высокой направленностью. Возможность выполнения щелевых антенн заподлицо с металлической поверхностью делает их чрезвычайно удобными для применения на скоростных самолетах и ракетах. Если излучающие щели располагаются на бесконечной идеально проводящей плоскости, то их характеристики сравнительно просто находятся с использованием принципа двойственности и метода зеркального изображения. Именно таким путем можно установить (в первом приближении) синусоидальный закон распределения напряжения в двусторонней щели конечной длины, возбуждаемой сосредоточенной МДС, а также найти соответствующие характеристики направленности. В резонансных (полуволновых) щелях закон распределения напряжения практически не зависит от вида возбуждающей МДС. Следовательно, синусоидальный закон распределения напряжения оказывается справедливым и односторонних резонансных щелей, возбуждаемых при помощи волновода или объемного резонатора, и это облегчает нахождение характеристик направленности и проводимости излучения таких щелей в плоском бесконечном экране.

В реальных условиях щелевые антенны чаще всего располагаются на ограниченных поверхностях неправильной формы. Строгих решений задачи об излучении таких щелей в большинстве случаев получить не удается и приходится использовать приближенные решения, пригодные для инженерной практики. Самый простой подход заключается в замене криволинейной металлической поверхности на касательную металлическую плоскость (бесконечный фланец). Путем сопоставления результатов немногих строгих решений задач излучения щелей на криволинейных поверхностях (шар, цилиндр, клин и др.) установлено, что этот подход может с успехом использоваться для расчета проводимостей излучения резонансных щелей на поверхностях, линейные размеры которых (а также радиусы кривизны в месте расположения щели) имеют порядок длины волны и больше.

2.3.3 Направленные антенны бегущей волны

Направленные антенны бегущей волны, как излучающие системы, позволяют реализовать режим осевого излучения, если только собственная направленность элемента системы не препятствует этому. Достижимая величина КНД в осевом направлении находится в пределах

, (2.8)

где L - длина излучающей системы;

l-----длина волны.

При этом ширина главного лепестка по половинной мощности получается равной

, (2.9)

а уровень боковых лепестков по полю составляет 0,2 - 0,35 главного максимума. Во всех этих оценках левые цифры относятся к возбуждению с фазовой скоростью света в окружающей среде, а правые цифры - к возбуждению с оптимально замедленной фазовой скоростью, характеризуемой величиной коэффициента замедления

, (2.10)

Большинство реальных антенн бегущей волны выполняется на основе замедляющих систем, способных поддерживать поверхностные волны. Возбуждение антенн бегущей волны обычно осуществляется с одного конца, а необходимый режим поддержания бегущей волны чаще всего обеспечивается надлежащим выбором параметров замедляющей системы и очень редко - применением специальных согласующих нагрузок на противоположном конце. В антеннах бегущей волны возбуждение само распространяется вдоль излучающей системы от одного конца к другому и поэтому антенны бегущей волны часто называют также антеннами последовательного питания.

С изменением рабочей частоты может происходить довольно резкое изменение фазовой скорости в замедляющей системе, а также может меняться эффективность действия и качество согласования возбудителя Поэтому антенны бегущей волны чаще всего рассчитываются на работу в сравнительно узкой полосе частот, измеряемой обычно единицами процентов, и значительно реже десятками процентов.

Уникальным свойством антенн бегущей волны являются малые размеры поперечного сечения излучающей системы. Именно благодаря этому свойству удается строить не выступающие антенны бегущей волны на гладкой поверхности корпусов летающих объектов, а также осуществлять очень легкие конструкции полноповоротных направленных антенн. Примером может служить ребристо-стержневая антенна, используемая на аппаратах типа “Луноход” для направленной радиосвязи с Землей.

2.3.4 Апертурные антенны

К апертурным относят такие антенны, у которых в соответствии с теоремой эквивалентности может быть выделена плоская поверхность раскрыва А, формирующая остронаправленное излучение. Среди апертурных антенн находятся наиболее распространенные зеркальные (параболические), а также рупорные и линзовые антенны. Плоские фазированные антенные решетки по принципу формирования излучения также могут быть отнесены к апертурным антеннам, однако из-за специфических особенностей, связанных с проблемой электрического управления положением луча в пространстве, сканирующие решетки образуют самостоятельную область антенной техники.

Коэффициент направленного действия апертурных антенн связан с площадью раскрыва А и длиной волны ??формулой

, (2.11)

где - общий коэффициент использования поверхности, зависящий от вида амплитудно-фазового распределения и ряда других факторов.

Ширина луча апертурных антенн в какой либо плоскости, перпендикулярной поверхности раскрыва, обратно пропорциональна линейному размеру раскрыва L в этой плоскости

, (2.12)

где - коэффициент расширения луча, зависящий от формы раскрыва и вида амплитудно-фазового распределения.

Конструкции распределителей апертурных антенн строятся таким образом, что мощность возбуждения к каждому элементу раскрыва в приближении геометрической оптики доставляется независимыми лучами, проходящими одинаковую электрическую длину от общего входа антенны. Поэтому в соответствии с принципом построения распределителя апертурные антенны могут быть условно отнесены к антеннам с параллельной схемой питания элементов излучающей системы (в отличие от антенн бегущей волны, характеризуемых последовательной схемой питания). Положительной особенностью параллельной схемы возбуждения (с одинаковой электрической длиной лучей) является сохранение синфазности элементов раскрыва и вида амплитудного распределения независимо от длины волны. Поэтому многие конструкции апертурных антенн, в частности зеркальных, являются частотно-независимыми и допускают одновременную работу антенны в диапазоне метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Разумеется, при этом целиком сохраняется зависимость КНД и ширины луча от длины волны l-согласно (2.11) и (2.12).

Из формул (2.11) и (2.12) также следует, что КНД апертурных антенн может неограниченно возрастать, а ширина луча стремиться к нулю при увеличении отношения А/l²,--а также L/l. Однако в реальных конструкциях антенн максимально достижимая величина КНД оказывается ограниченной из-за влияния случайных погрешностей выполнения антенн. В настоящее время достигнутый уровень технологии производства позволяет реализовать апертурные антенны сантиметрового диапазона с максимальной величиной КНД - порядка 10⁷. Таким образом, апертурные антенны первенствуют по направленности среди всех типов антенных устройств. ?

2.3.5 Сканирующие антенные решетки

Использование антенн для определения направления на источник излучения и для исследования распределения многих источников в окружающем пространстве ставит задачу оперативного управления формой характеристики направленности и, в частности, задачу сканирования, т.е. перемещение луча антенны в пространстве.

Сканирование может осуществляться тремя способами:

механическим,

электромеханическим,

электрическим.

Первый способ реализуется путем поворота всей антенны и характеризуется наибольшей инерционностью. При втором способе с помощью электродвигателей или электромагнитов осуществляется механического перемещения одного или нескольких элементов антенны, что приводит к наклону эквифазной поверхности поля в неподвижном раскрыве. Классическим примером является управление положением луча параболической антенны при боковом смещении облучателя. Второй способ является более быстрым, т.к. движущиеся элементы имеют небольшую массу по сравнению с массой всей антенны. Однако ни первый, ни второй способы не удовлетворяют современным требованиям к скорости обзора пространства и не дают возможности одновременно следить за перемещениями быстро движущихся объектов.

Наибольшую скорость обзора может обеспечить только третий, электрический способ сканирования. При этом способе амплитудно-фазовое распределение возбуждения в неподвижном раскрыве антенны регулируется с помощью электронноуправляемых устройств, например ферритовых или полупроводниковых фазовращателей и коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерцией, связанной с постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.

Электрическое сканирование в подавляющем большинстве случаев реализуется в многоэлементных антенных системах, называемых для кратности просто антенными решетками. Сам по себе принцип отклонения луча при изменении фазировки отдельных излучателей решетки был известен еще в 20-30-х годах, однако практическое применение сканирующих антенных решеток началось только в 50 - 60-х годах. Именно в это время чрезвычайно повысились скорости самолетов и ракет и началось освоение космоса, что потребовало увеличение быстродействия радиолокационной станции. С другой стороны к этому времени были созданы быстродействующие ферритовые и полупроводниковые управляющие устройства. Очень важное значение сыграло также появление современных ЭВМ, без которых было бы немыслимо скоординировать работу многих сотен или даже тысяч излучателей, функционирующих в составе антенной решетки.

Многоэлементность антенных устройств повлекла за собой существенное расширение круга задач, решаемых радиотехническими системами, и вызвала появление ряда новых принципов в радиосвязи, радиолокации и радиоастрономии. Перечислим наиболее важные задачи, решение которых стало осуществимым в процессе практического освоения техники многоэлементных антенн:

Электрическое сканирование в широком секторе углов.

Получение диаграмм направленности заданной формы путем регулирования амплитуд и фаз возбуждения отдельных излучателей.

Возможность когерентного сложения в одном луче мощностей многих генераторов (или усилителей) СВЧ колебаний, что позволяет реализовать грандиозные значения излучаемой мощности, недостижимые в обычных антеннах из-за ограниченной электрической прочности.

Возможность синфазного сложения сигналов, принятой системой больших антенн, что дает возможность получить очень большую эффективную поверхность при радиоприеме, не достижимую в обычных антеннах из-за влияния неточностей изготовления. Этот принцип реализуется в так называемых самофокусирующихся антенных системах.

Более полное извлечение информации из приходящих к антенне электромагнитных волн за счет применения сложных методов совместной параллельной обработки сигналов, принимаемых отдельными элементами антенной системы.

Повышение надежности радиосистемы благодаря параллельному действию многих элементов. Выход из строя, скажем, 20% элементов антенной решетки не приводит к катастрофическому отказу радиосистемы, а лишь несколько ухудшает ее характеристики.

С помощью антенных решеток можно управлять эффективной отражающей поверхностью различных объектов как в смысле ее максимизации для любых направлений прихода запросных сигналов, так и в смысле радиомаскировки, т.е. сведения отражающей поверхности к нулю.

Однако нормальное функционирование антенных решеток осложняется рядом дополнительных трудностей. К числу мешающих факторов относятся: появление фазовых ошибок в раскрыве из-за неточности действия управляющих устройств, из-за дискретности фазирования, из-за рассогласования и взаимосвязи элементов при сканировании; появление дополнительных потерь СВЧ мощности в управляющих устройствах; относительная узкополосность, связанная с возможностью появления побочных главных максимумов при возрастании электрического расстояния между элементами и др. Немаловажное значение имеет также высокая первоначальная стоимость и сравнительно большие эксплуатационные расходы, связанные с периодическими проверками, подстройками, заменой вышедших из строя элементов и т.д.

Из сказанного следует, что антенные решетки относятся к числу сложных радиотехнических систем, основанных на многих принципах теории антенн и устройств СВЧ в сочетании с принципами теории информации и радиокибернетики. Именно поэтому антенные решетки по праву называют антеннами будущего. Применяемые и разрабатываемые в настоящее время антенные решетки характеризуются большим разнообразием по области применения (наземные и бортовые), по числу элементов (от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч), по форме раскрыва (плоские, выпуклые, кольцевые и т.д.), по способам управления и обработки сигналов, по диапазону частот (от коротких волн до волн оптического диапазона).

2.3.6 Частотно-независимые антенны

Рабочая полоса частот определяется степенью постоянства по частоте двух главных параметров: формы характеристики направленности (имеется в виду сохранение направления максимального излучения, ширины луча, величины КНД, уровня бокового излучения и т.д.); входного коэффициента отражения

, (2.13)

где Г_доп - допустимое значение коэффициента отражения и z_вх(w? - нормированный входной импеданс.

Величина Г_доп зависит от того, является антенна передающей или приемной, а также от свойств соединяемой с антенной аппаратуры и типа используемых сигналов (непрерывные или импульсные). Расширение рабочей полосы частот антенны по качеству согласования входа возможно двумя способами: применением так называемых широкополосных согласующих цепей на входе антенны при неизменной конструкции излучающей системы и распределителя и путем оптимизации формы и конструкции излучающей системы и распределителя с целью получения входного импеданса, мало меняющегося с частотой и наиболее близкого к оптимальному значению z_вх =1.

Широкополосное согласование комплексных нагрузок с помощью реактивных четырехполюсников изучается в курсе “Устройства СВЧ ”. Из соответствующей теории следует, что широкополосное согласование представляет собой коррекцию входного импеданса антенны, возможную в ограниченной полосе частот. Поэтому широкополосно-согласующие устройства применяются в основном для расширения рабочей полосы частот резонансных антенн с резкой частотной зависимостью входного импеданса.

Уменьшение частотной зависимости входного коэффициента отражения передающих антенн СВЧ возможно также с помощью включаемых на их входе невзаимных вентильных устройств на основе подмагниченных ферритов. Но этот способ согласования имеет ряд недостатков, среди которых наиболее существенными являются снижение КПД из-за необратимой потери мощности отраженной волны и невозможность работы антенны в режиме приема-передачи. Кроме того, задача создания согласующих вентилей, функционирующих в широкой полосе частот, технически достаточно сложна.

Итак, методы широкополосного согласования входа антенны с использованием как реактивных, так и невзаимных цепей могут иметь лишь вспомогательную роль, и основным способом решения проблемы согласования входа антенны является создание излучателей с мало меняющимся входным импедансом в необходимой полосе частот. В наиболее удачных конструкциях вибраторных антенн удается добиться примерно четырехкратной полосы частот при входном коэффициенте отражения 0,5 - 0,6 и полосы частот 15 - 20 % при коэффициенте отражения менее 0,1. Однако приемы компенсации не решают проблемы широкополосности антенн, поскольку сохраняется сильная частотная зависимость характеристик направленности из-за изменения электрических длин излучающих элементов при изменении частоты.

Создание действительно частотно-независимых антенн с практически неизменными характеристиками направленности и хорошим согласованием входа в полосе частот, границы которой характеризуются отношением 10 : 1 и более, стало возможным лишь после того, как в конце 50-х годов были установлены общие принципы их построения.

В понимании действия современных частотно-независимых антенн основным является принцип электродинамического подобия. Этот принцип устанавливает идентичность входных импедансов и характеристик направленности двух различных антенн без потерь на двух разных частотах f1 и f2, если форма этих антенн одинакова, а соответствующие размеры, например L1 и L2, изменены обратно пропорционально отношению частот L1/L2=f2/f1.

Другими словами, антенны с одинаковыми размерами в длинах волн L1/l1=L2/l2 являются электродинамически подобными.

Для реализации принципа подобия при создании частотно-независимых антенн следует выполнить антенну так, чтобы она оставалась подобной сама себе на любых частотах. Например, для антенн, форма которых определяется только угловыми размерами (в частности, для конического вибратора бесконечной длины), изменение масштаба расстояний не приводит к изменению антенны. Поэтому антенны, определяемые только угловыми размерами, являются принципиально частотно-независимыми. Построение конечных антенн, определяемых конечными размерами, невозможно. Однако существуют такие формы бесконечных структур, определяемых угловыми размерами, поведение конечной части которых выше некоторой граничной частоты асимптотически стремиться к поведению бесконечной структуры как с точки зрения постоянства входного импеданса, так и с точки зрения постоянства характеристик направленности. ?

2.4 Антенны для телевидения

Телевизионное вещание производится на волнах метрового и дециметрового диапазонов.

Телевизионные антенны должны пропускать без искажений полосу частот примерно 8 МГц. Для того чтобы в необходимой полосе частот телевизионные антенны обладали почти чисто активным сопротивлением примерно постоянной величины и хорошо -согласовывались с фидерными линиями, применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением, иногда -- специальной формы. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности вибратор может выполняться не сплошным, а состоять из отдельных горизонтальных стержней.

На ранней стадии строительства телецентров применялись преимущественно многоэтажные турникетные антенны. Каждый этаж этой антенны выполняется из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз, равным 90°, что обеспечивает почти круговую ДН в горизонтальной плоскости. В качестве элементов таких антенн широко применялись так называемые Ж-образные вибраторы. Вибратор присоединяется накоротко к мачте, а питание к нему подводится в середине с помощью коаксиальной линии и симметрирующего устройства, помещаемого внутри мачты. Если вибратору придать специальную форму, то увеличивается жесткость конструкции и уменьшаются токи, имеющие вертикальное направление и текущие по вертикальным частям внешней обрамляющей рамы. Антенны, выполненные из таких вибраторов, имеют полосу пропускания примерно 40% и позволяют одновременно передавать несколько телевизионных каналов. Существенным недостатком турникетных антенн является ограниченность практически достижимого коэффициента усиления (КУ составляет 3--10). Это объясняется тем, что вибраторы крепятся к мачтам малого диаметра, и достаточная механическая прочность может быть обеспечена при общей высоте антенны не более 12--15 м, т. е. число этажей антенны не может быть большим. Значительно большие КУ (до 20--50) можно получить у так называемых панельных антенн. Основным элементом панельной антенны является блок (панель), представляющий собой синфазную антенну, состоящую из четырех симметричных вибраторов расположенных в четыре этажа. Расстояние между соседними этажами берется равным ?/2. Вибраторы крепятся к решетчатому (апериодическому) рефлектору в узлах зарядов металлическими изоляторами. Коаксиальный кабель, идущий от генератора, присоединяется к двухпроводным линиям, питающих вибраторы с помощью симметрирующего устройства. Такая антенна обладает однонаправленными свойствами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Малые изменения входного сопротивления антенны в требуемой полосе частот и хорошее согласование достигаются применением вибраторов с пониженным волновым сопротивлением и подбором волновых сопротивлений участков двухпроводного фидера и коаксиальной линией. Ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости можно получить, разместив четыре панели по сторонам квадрата и питая их так, чтобы токи во всех вибраторах находились в фазе и текли либо по часовой стрелке, либо против нее. Диаграмму направленности в вертикальной плоскости можно изменять в широких пределах, располагая панели одна над другой. Число этажей панельной антенны можно легко увеличивать, так как эта антенна может крепиться на опоре с большим поперечным сечением. По этой же причине на одной опоре можно располагать несколько многоэтажных панельных антенн, обслуживающих различные диапазоны.

В диапазоне дециметровых волн применяются телевизионные щелевые антенны. Наиболее распространена щелевая антенна, представляющая собой круглую трубу малого диаметра, в которой прорезан ряд продольных щелей. Труба одновременно служит внешним проводником коаксиальной линии, питающей щели через специальные элементы связи.